九年前，我妹妹在她的脖子和手臂上發(fā)現(xiàn)了腫塊，并被診斷出患有癌癥。從那天起，她開始受益于科學(xué)對癌癥的理解。每當(dāng)她去看醫(yī)生時，他們都會測量特定的分子，這些分子可以提供該如何做以及下一步該做什么的信息。每隔幾年就有新的醫(yī)療選擇。每個人都知道她因癌癥而英勇地抗?fàn)帯＝衲甏禾?，她在一項臨床試驗中獲得了創(chuàng)新的新藥物治療。它戲劇性地擊退了她的癌癥。猜猜我將在這個感恩節(jié)上和誰度過？我活潑的妹妹，她比我有更多的運動，和這個房間里的許多人一樣，過去時代越來越多地談?wù)撝旅募膊　Ｔ谖覀冇猩?，甚至在十年之?nèi)，科學(xué)將可以改變某些疾病的意義。

        但不適合所有疾病。我的朋友羅伯特和我是研究生院的同學(xué)。羅伯特很聰明，但每過一個月，他的想法似乎變得更加混亂。他輟學(xué)了，在一家商店找到了工作......但情況也變得復(fù)雜。羅伯特變得害怕并且膽小。一年半之后，他開始聽到聲音并認為有人正在追他。醫(yī)生診斷他患有**分裂癥，他們給了他開了的藥物。那種藥物使聲音更安靜，但它并沒有恢復(fù)他聰明的頭腦或他的社交聯(lián)系。羅伯特努力與學(xué)校，工作和朋友的世界保持聯(lián)系。但他還是遠離了，今天我不知道在哪里找到他。如果他看這個，我希望他能找到我。

        為什么醫(yī)學(xué)為我的妹妹提供了這么多，而為羅伯特這樣的數(shù)百萬人提供的幫助卻少得多？需求就在那里。世界衛(wèi)生組織估計**分裂癥、雙相情感障礙和嚴重抑郁癥等腦部疾病是世界上生活和工作能力長年喪失的原因。部分因為這些疾病經(jīng)常在生命的早期發(fā)生，在許多時候，在年富力強的時期，比如人們正在接受教育，開始職業(yè)生涯，建立關(guān)系和家庭一樣。這些疾病可能導(dǎo)致自殺；它們經(jīng)常會妨礙一個人充分發(fā)揮潛能的能力；它們是造成這么多悲劇的原因：失去了人際關(guān)系和聯(lián)系，錯失了追求夢想和想法的機會。這些疾病以我們根本無法衡量的方式限制了人類的可能性。

        我們生活在一個在許多其他方面都有深刻醫(yī)學(xué)進步的時代。我妹妹的癌癥故事是一個很好的例子，同樣的還有心臟病。他汀類藥物可以預(yù)防數(shù)百萬次心臟病發(fā)作和中風(fēng)。這些深刻的醫(yī)學(xué)進步的領(lǐng)域有一個共同點：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了對疾病很重要的分子，他們開發(fā)了檢測和測量體內(nèi)分子的方法，并且開發(fā)了對這些分子進行干擾的方法——其他分子（藥物）。這種策略一次又一次的奏效。但是當(dāng)談到大腦時，這種策略是有限的，因為今天，我們還不知道大腦是如何運作的。我們需要了解對每種疾病重要的那些細胞，以及對于每種疾病，這些細胞中的哪些分子很重要。這就是我今天要談?wù)摰氖虑椤?/p>

        我的實驗室開發(fā)了一些技術(shù)，我們試圖將大腦變成一個大數(shù)據(jù)問題。你看，在我成為一名生物學(xué)家之前，我從事計算機和數(shù)學(xué)工作，并且學(xué)到了這一課：無論你從哪里收集到大量的、關(guān)于系統(tǒng)功能的正確數(shù)據(jù)，你都可以通過強有力的新方法來使用計算機了解該系統(tǒng)及其工作原理。今天，大數(shù)據(jù)方法正在改變我們經(jīng)濟中越來越大的領(lǐng)域，它可以在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面做同樣的事情。但是你必須擁有正確的數(shù)據(jù)類型。你必須有關(guān)于正確事物的數(shù)據(jù)。而這通常需要新的技術(shù)和想法。這就是我實驗室中科學(xué)家的任務(wù)。

        今天，我想告訴你我們工作中的兩個故事。我們在試圖將大腦變成大數(shù)據(jù)問題時面臨的一個基本障礙是，我們的大腦由數(shù)十億個細胞組成。我們的細胞不是通才；它們是專家。與人類一樣，它們專注于成千上萬種不同的細胞職業(yè)或細胞類型。

        事實上，我們身體中的每種細胞類型都可能發(fā)表一個生動的TED演講，談?wù)撍诠ぷ髦械淖饔?。但作為科學(xué)家，我們今天甚至不知道有多少細胞類型，我們不知道這些演講的標(biāo)題是什么?，F(xiàn)在，我們知道關(guān)于細胞類型的許多重要事實。它們的大小和形狀可能有很大差異。一個細胞會對另一個細胞沒有反應(yīng)的分子做出反應(yīng)，它們會制造不同的分子。但科學(xué)在很大程度上是以點對點的方式獲得這些見解，一次一種細胞類型，一次一種分子。我們希望能夠快速，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)所有這些細胞。

        現(xiàn)在，直到最近，如果你想要清除大腦或任何器官中的所有分子，你必須先將它打碎成一種細胞狀冰沙。但這是一個問題。一旦你對細胞進行了研究，你就只能研究細胞的平均狀況，而不是單個細胞。想象一下，如果你試圖了解像紐約這樣的大城市是如何運作的，但你只能通過回顧一些關(guān)于紐約普通居民的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來做到這一點。當(dāng)然，你不會學(xué)到很多東西，因為所有有趣、重要和令人興奮的東西都在于多樣性和專業(yè)化。我們的細胞也是如此。我們希望能夠研究大腦，不是像細胞冰沙，而是像細胞水果沙拉，在其中可以生成關(guān)于每個單獨水果的數(shù)據(jù)并從中學(xué)習(xí)。

        所以我們開發(fā)了一種技術(shù)來做到這一點。你將要看的一個視頻。在這里，我們將數(shù)以萬計的單個細胞包裝成自己的微小水滴，用于自己的分子分析。當(dāng)一個細胞落在一個小滴中時，它會遇到一個微小的珠子，這個珠子可以提供數(shù)百萬個DNA條形碼分子。并且每個珠子向不同的細胞提供不同的條形碼序列。我們將DNA條形碼整合到每個細胞的RNA分子中。這些是特定基因的分子轉(zhuǎn)錄版本。然后我們對數(shù)十億個這些組合分子進行測序，并使用這些序列告訴我們每個分子來自哪個細胞和哪個基因。

        我們將這種方法稱為“Drop-seq”，因為我們使用液滴分離細胞進行分析，我們使用DNA序列進行標(biāo)記和清點并跟蹤所有內(nèi)容。而現(xiàn)在，每當(dāng)我們進行實驗時，我們都會分析數(shù)以萬計的單個細胞。今天，在這個科學(xué)領(lǐng)域，挑戰(zhàn)越來越多，如何盡可能快地從這些龐大的數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)？

        當(dāng)我們開發(fā)Drop-seq時，人們常常告訴我們，“哦，這將使你們成為每個主要大腦項目的首選參考。”那不是我們看到它的方式。當(dāng)每個人都貢獻大量令人興奮的數(shù)據(jù)時，科學(xué)才是的。所以我們寫了一本25頁的教學(xué)書，任何科學(xué)家都可以從頭開始構(gòu)建自己的Drop-seq系統(tǒng)。在過去兩年中，該指導(dǎo)手冊已從我們的實驗室網(wǎng)站被下載了50,000次。我們編寫的軟件可供任何科學(xué)家用來分析Drop-seq實驗中的數(shù)據(jù)，該軟件也是免費的，并且在過去兩年中已經(jīng)從我們的網(wǎng)站被下載了30,000次。數(shù)以百計的實驗室向我們描述了他們使用這種方法所做的發(fā)現(xiàn)。今天，這項技術(shù)被用于制作人體細胞圖譜。它將是人體中所有細胞類型的圖譜，以及每種細胞類型的特定基因圖譜。

        現(xiàn)在我想告訴你，我們試圖將大腦變成大數(shù)據(jù)問題時面臨的第二個挑戰(zhàn)。而這個挑戰(zhàn)是我們想要從成千上萬的活人的大腦中學(xué)習(xí)。但是，在人們活著的時候，無法進入他們的大腦。但是，如果我們不能接觸這些分子，我們怎么能發(fā)現(xiàn)分子特征呢？答案來自這樣一個事實，即信息最豐富的分子是被我們的DNA編碼的蛋白質(zhì)，DNA包含我們的細胞用來制造所有蛋白質(zhì)的配方。并且這些配方因人而異，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的精確序列，以及每種細胞中每種蛋白類型的含量都在人與人之間產(chǎn)生差異。它全部編碼在我們的DNA中，它都是遺傳學(xué)，但它不是我們在學(xué)校學(xué)到的遺傳學(xué)。

你還記得大B，小b嗎？如果你繼承了大B，你會變成棕色眼睛嗎？這很簡單。很少有這么簡單的特質(zhì)。甚至眼睛的顏色也不僅僅是單一的顏色分子。像我們大腦的功能那樣復(fù)雜的東西是由數(shù)千個基因的相互作用所造成的。并且每一個基因在人與人之間都發(fā)生有意義地變化，我們每個人都是變異的獨特組合。這是一個巨大的數(shù)據(jù)機會。而今天，越來越有可能以前所未有的規(guī)模取得進展。人們以創(chuàng)紀錄的數(shù)量為基因研究做出貢獻，世界各地的科學(xué)家正在彼此分享數(shù)據(jù)，以加快進展。

我想告訴你一個我們最近在**分裂癥遺傳學(xué)方面的一個發(fā)現(xiàn)。因為來自30個國家的50,000人將DNA用于**分裂癥的基因研究，這件事才成為可能。多年來人們已經(jīng)知道，人類基因組對**分裂癥風(fēng)險的影響來自編碼我們免疫系統(tǒng)中許多分子的基因組的一部分。但尚不清楚具體是哪個基因負責(zé)。我們實驗室的一位科學(xué)家開發(fā)了一種用計算機分析DNA的新方法，他發(fā)現(xiàn)了一些非常令人驚奇的東西。他發(fā)現(xiàn)了一種叫做“補體成分4”的基因-簡稱為“C4”——在不同人的基因組中有幾十種不同的形式，這些不同的形式在我們的大腦中產(chǎn)生不同量的C4蛋白。他發(fā)現(xiàn)我們的基因產(chǎn)生的C4蛋白越多，我們患**分裂癥的風(fēng)險就越大。

現(xiàn)在，C4仍然只是復(fù)雜系統(tǒng)中的一個風(fēng)險因素。這不是大B，但它是關(guān)于重要分子的見解。長期以來，像C4一樣的補體蛋白在免疫系統(tǒng)中的作用是眾所周知的，它們作為一種分子標(biāo)簽寫著“吃我”。標(biāo)簽貼在我們體內(nèi)的大量碎片和死細胞上，并邀請免疫細胞消除它們。但是我的兩位同事發(fā)現(xiàn)，C4標(biāo)簽還可以放在大腦的突觸上，使它們消失?，F(xiàn)在，突觸的產(chǎn)生和消除是人類發(fā)展和學(xué)習(xí)的正常部分。我們的大腦一直在創(chuàng)造和消除突觸。但是我們的遺傳結(jié)果表明，在**分裂癥中，消除過程可能會進入超速狀態(tài)。

許多醫(yī)藥公司的科學(xué)家告訴我，他們對這一發(fā)現(xiàn)感到興奮，因為他們多年來一直在免疫系統(tǒng)中研究補體蛋白，已經(jīng)學(xué)到了很多關(guān)于它們?nèi)绾伟l(fā)揮作用的知識。他們甚至開發(fā)了干擾補體蛋白的分子，已經(jīng)開始在大腦和免疫系統(tǒng)中測試它們。它是一種可能解決根本原因而不是個體癥狀的藥物通路，我們非常希望許多科學(xué)家的這項長期工作能夠取得成功。

但C4只是數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)方法在數(shù)百年悠久的醫(yī)學(xué)問題上開辟新潛力的一個例子。我們的基因組中有數(shù)百個基因可以導(dǎo)致腦部疾病的風(fēng)險，其中任何一個基因都可能指引我們發(fā)現(xiàn)下一個重要的藥物分子。并且有數(shù)百種細胞類型含有不同的基因組合。當(dāng)我們和其他科學(xué)家努力生成數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)我們所能做的一切時，我們希望開辟更多的新戰(zhàn)線。遺傳學(xué)和單細胞分析只是試圖將大腦變成大數(shù)據(jù)問題的兩種方法。

我們還有很多工作要做。我們實驗室的科學(xué)家正在創(chuàng)建一種技術(shù)，用于快速繪制大腦中的突觸連接，以確定哪些神經(jīng)元之間正在進行對話，以及這種對話在整個生命過程中和疾病期間的變化。我們正在開發(fā)一種方法，在一個單獨的試管中測試具有數(shù)百個不同人類基因組的細胞對同一刺激的反應(yīng)。這些項目匯集了具有不同教育背景和興趣的人才——生物學(xué)，計算機，化學(xué)，數(shù)學(xué)，統(tǒng)計學(xué)，工程學(xué)。但是，科學(xué)的可能性將不同興趣的人們團結(jié)在一起。

我們希望創(chuàng)造的未來是什么？想想癌癥。我們已經(jīng)從一開始對癌癥起因的無知（癌癥通常歸因于個人心理特征），發(fā)展到對癌癥真正生物學(xué)原因的現(xiàn)代分子學(xué)理解。這種理解在今天導(dǎo)致了一個個創(chuàng)新醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，盡管還有很多工作要做，但我們周圍已經(jīng)有很多被治愈的、在幾十年前被認為是無法治愈的癌癥患者。像我妹妹這樣的數(shù)百萬癌癥幸存者發(fā)現(xiàn)自己還可能活很多年，擁有新的工作，快樂和人際關(guān)系的機會。這就是我們希望在**疾病領(lǐng)域創(chuàng)造的未來——一種真正的理解，同情和無限的可能性。